Nội dung

Chương 4 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 2 Kinh ®iÓn, ®Ó thay ®æi ®iÖn ¸p xoay chiÒu ng­êi ta th­êng sö dông m¸y biÕn ¸p ( MBA) HiÖn nay, sö dông m¹ch Thyristor ( T) m¾c song song ng­îc. ¦u ®iÓm: + §iÒu chØnh ®iÖn ¸p v« cÊp, linh ho¹t. + §iÒu chØnh nhanh, dÔ t¹o ra c¸c m¹ch vßng tù ®éng ®iÒu chØnh. + KÝch th­íc bé biÕn ®æi ( BB§) gän, nhÑ, gi¸ thµnh h¹. Nh­îc ®iÓm: + ChÊt l­îng ®iÖn ¸p kh«ng tèt ( sãng kh«ng sinnus) 3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần trở (tải R) 4 5 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha §iÖn ¸p trªn t¶i: ( thay ®æi gãc më  trÞ hiÖu dông U thay ®æi) 2U 12 2 2 1 Ut  2 1 2 u d   ( 2 U sin  ) d  1    0 0 2 1  U 1  2 (1  cos 2 ) d sin 2 2  f ( ) P sin 2 (    ) C«ng suÊt tiªu thô tÝch P cùc:    2 2 P lµ c«ng suÊtsin tiªu thô khi  = 0 Q  P. C«ng suÊt ph¶n kh¸ng:  6 Dßng trung b×nh qua van:  Um 1 Um I t   sin d  (1  cos  )  R R Gi¸ trÞ hiÖu dông dßng t¶i:  Um 1 Um 2 sin 2 2 I ( ) sin d     R 2 2 R §iÖn ¸p ng­îc: U ngmax = 2 U2 7 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) 8 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) 9 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) 10 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) Biến thiên áp cửa ra theo góc kích 11 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải RL 12 Khi tải mang tính cảm kháng ( có cả R và L) dạng điện áp và dòng điện tuỳ thuộc vào tính tương quan giữa R và L mà khác nhau. Phương trình mô tả dòng điện biến đổi trong khoảng (     +  như sau: di U m sin   L.R  .L. d Trong đó  khoảng dẫn điện của T Nghiệm của phương trình: z  R 2  (L) 2  U i ( )  m sin(   )  A.e tg Z L  arctg R A là hằng số tích phân, được tính từ điều kiện  =  thì i = 0. 13 Tính được A sẽ tìm được dòng tải:    Um tg i ( )   sin(   )  sin(   ).e  z   Khi  =  + ; i(t = 0 thay vào tính được: sin(     ) sin(   ).e  tg Đây là phương trình dùng để tính thời gian dẫn điện của T Khi  >  dòng tải gián đoạn; Khi    dòng điện liên tục và điện áp không đổi. Như vậy, khả năng điều chỉnh điện áp chỉ có thể xảy ra khi góc dẫn của T nằm trong khoảng:     . 14 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải RL Biến thiên áp cửa ra theo góc kích 15 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải RL 16 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 17 Trong trường hợp mạch sử dụng dây trung tính thì dòng qua mỗi pha không phụ thuộc vào dòng cuat pha khác. Lúc đó các biểu thức tính , và  tương tự như một pha. Khi tăng góc điều khiển  sẽ làm giảm thời gian dẫn dòng qua T, ứng với mỗi giá trị  nào đó, dòng trong pha sẽ giảm về 0 trước khi mở T của pha sau. Như vậy sẽ xuất hiẹn khoảng thời gian không có dòng tải và khoảng dẫn của T sẽ bị giảm đến giới hạn nhỏ hơn 60 o. 18 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 19 Khi bộ biến đổi được đấu sao không dây trung tính, quá trình điện từ trong mạch hoàn toàn khác vì việc dẫn dòng trong một pha phải tương thích và tuỳ thuộc vào pha khác. Để đảm bảo lượng sóng hài là tối thiểu thì góc mở  phải bằng nhau, mỗi van lần lượt mở cách nhau 60o và có khoảng dẫn  như nhau. 20 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 21 22 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha 23 Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha 24 Dạng sóng dòng, áp đầu ra trên 1 pha 25 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha 26 Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha 27 Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha 28 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha  kích Biến thiên điện áp hiệu dụng cửa ra với góc 29 Công tắc xoay chiều Tên gọi tiếng Anh: Solid state relay, Semiconductor relay… Có thể hoạt động với tần số cao, đáp ứng nhanh, không gây phóng điện Có tổn hao trên linh kiện bán dẫn  Cần giải nhiệt Sử dụng trong: đóng ngắt động cơ, chuyển mạch nguồn cho lưới điện, chuyển mạch trong hệ thống UPS… 30 Công tắc xoay chiều 1 pha 31 Công tắc xoay chiều 1 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 1 pha, đóng cắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero 32 Công tắc xoay chiều 1 pha Điện áp nguồn Dòng tải Tín hiệu điều khiển Đóng cắt không đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero 33 Công tắc xoay chiều Điện áp nguồn Dòng tải Thời điểm tắt dòng tải Tín hiệu điều khiển Đóng cắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero 34 Công tắc xoay chiều 3 pha 35 Công tắc xoay chiều 3 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 3 pha 36 Điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều Điều khiển pha:  Phương pháp thông thường: điều khiển kích dẫn theo góc kích   nhiều sóng hài điện áp  Phương pháp chuyển mạch cưỡng bức: - Điều khiển kích dẫn & kích tắt - Điện áp ngõ ra có thể được điều khiển theo kiểu điều rộng xung  giảm sóng hài - Cần sử dụng các linh kiện có thể kích tắt (transistor, GTO…) hoặc SCR với mạch tắt cưỡng bức 37 Điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều Điều khiển tỉ lệ thời gian (Time duty ratio control) Sử dụng contact xoay chiều, đóng ngắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero Chu kỳ đóng ngắt công suất cho tải: T = nT s (Ts: chu kỳ áp lưới) Kích đóng trong khoảng Tt = mTs (Tt  T) T Điện áp hiệu dụng trên tải: U t U t T 38 Ví dụ tính toán Ví duï3.1: Boäbieá n ñoå i aù p xoay chieà u moä t pha caá p nguoà n cho taû i thuaà n trôûR=10.  Nguoà n xoay chieà u coùtròhieä u duïng baè ng 220V, 50Hz. Goù c ñieà u khieå n   [ rad ] 2 a. Tính tròhieä u duïng aù p taû i b. Tính coâ ng suaá t tieâ u thuïcuû a taû i c. Tính heäsoácoâ ng suaá t d. Ñeåñaït ñöôïc coâ ng suaá t taû i baè ng 4 kW, tính ñoälôù n goù c kích  e. Ñònh möù c linh kieä n söûduïng 39 Ví dụ tính toán Giaû i: c. Heäsoácoâ ng suaá t nguoà n ( boûqua toå n hao treâ n SCR ) a. Tròhieä u duïng cuû a aù p taû i   U t  1     1 sin 2   2  .U 2  Pt P P P  t  t  t S U .I U .It U . Ut R 2420  0,707 155,56 220. 10  PF  1 2   sin 2.       2  1  2   .220 155,56[V ]  2.       b. Coâ ng suaá t tieâ u thuïcuû a taû i 1 Pt  2 2  0 1 ut .i t .dX  2 2  0 ut2 1 .dX  .U t2 R R 155,56 2 Pt   2420[W ] 10 40 Ví dụ tính toán d. Khi Pt =4 kW, ta coù : U t  Pt .R  4000.10  200[V ] . Treâ n ñaë c tính Ut(), Ta xaù c ñònh goù c  töông öù ng vôù i Ut = 200V laø:  =0,99979[rad] hay =57,280 Ut (V) 250 200 150 100 50 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Góc kích (rad) 41 Ví dụ tính toán e. AÙ ù p laø m vieä c lôù n nhaá t cuû a SCR: U DWM U RWM  220. 2 311[V ] Choïn heäsoáan toaø n aù p: K u =2,5 ta coùtham soáSCR caà n choïn thoû a maõ n ñieà u kieä n: UDRM =URRM >2,5.311 =778[V] Tròtrung bình doø ng qua SCR (=0): IVAV  IVAV  1 2 2 it .dX   0 1 2   0 2 .U . sin X .dX R 2U 2 .220   9,9[ A ] .R .10 Tròïhieä u duïng doø ng qua SCR I RMS   1   2  2  0  2 .U . sin X   R  2 1 2   .dX        2U 2 .220  15,55[A] 2R 2.10 42 Ví dụ tính toán Ví duï3.2 Coâ ng taé c xoay chieà u ba pha daïng ñaà y ñuûmaé c vaø o taû i theo caá u hình sao. Coâ ng suaá t taû i P=20kW, heäsoácoâ ng suaá t 0,707. Tính đđònh möù c aù p vaødoø ng cho linh kieä n. AÙ p nguoà n coùtròhieä u duïng aù p daâ y 440V Lưu ý: Khi tính chọn SCR cần biết: - Điện áp ngược cực đại có thể đặt lên SCR, - Dòng trung bình , hoặc dòng hiệu dụng qua SCR. 43 Ví dụ tính toán Giaû i: Doø ng ñieä n qua moã i pha coùtròhieä u duïng: I P 3.U 0 . cos   20000 3.440.0,707 37,119[A] Doø ng ñæ nh qua SCR: I m  2 .I  2 .37,119 52,5[A] Doø ng trung bình qua SCR: I AV  I m 52,5  16,71[A]   Tròhieä u duïng doø ng qua SCR: I RMS  I m 52,5   26,25[A] 2 2 Ñieä n aù p ñæ nh ñaë t leâ n SCR: U DWM U RWM  2 .U  2 .440  622,3[V ] 44 Ví dụ tính toán Ví duï3.3 Boäbieá n ñoå i aù p xoay chieà u moä t pha maé c vaø o taû i L. Tính tròhieä u duïng aù p vaødoø ng taû i khi   2 3 [rad]. Tính coâ ng suaá t phaû n khaù ng cuû a soù ng haø i cô baû n. Cho bieá t L=0,01H, aù p nguoà n U =220V,  =314 rad/s It U L Ut 45 Ví dụ tính toán Giaû i: Trị hiệu dụng áp tải tính theo công thức: 2 2   sin 2.    sin 2    3  137,566[V ] U t U . 21     220. 21  3    2   2       Trị hiệu dụng dòng tải: It  U  3  21   1  2 cos2   sin 2  .L      2     220 3  1  2 cos 2 2    3 . sin 2. 2    29,142[ A ] It  . 2.1   314.0,01   3    3      46 Ví dụ tính toán Coâ ng suaá t phaû n khaù ng cuû a soù ng haø i cô baû n: Q(1) =US.I t(1) vôù i US  . 2   2   sin 2    ..L 2  220 2  2    . 2   2.  sin 2.  .314.0,01  3  3  I t(1)  I t(1) I t(1)  27 ,395[ A ] Ta ñöôïc Q(1) =220.27,397 =6025,8 Var 47 Ví dụ tính toán Ví duï3.4 Maïch ñoä ng löïc cuû a boäbuønhuyeã n moä t pha như hình vẽ.  2 Doø ng buøñöôïc ñieà u khieå n baè ng caù ch thay ñoå i goù c kích  trong khoaû ng  ,  .  AÙ p nguoà n xoay chieà u coùtròhieä u duïng U =220V,  =314 rad/s. Coâ ng suaá t buøcuû a tuïQC =10 kVAr a/- Tính ñoälôù n cuoä n khaù ng L ñeåcoùtheåbuøcoâ ng suaá t vôù i ñoälôù n thay ñoå i töøQmin=0 ñeá n Qmax =10 kVAr. b/- Vôù i L tính ñöôïc, xaù c ñònh doø ng buøtoå ng ( haø i cô baû n)  2 öù ng vôù i caù c tröôø ng hôïp goù c ñieà u khieå n 1  ; 2  2 5 ; 3  ; 4  3 6 48 Ví dụ tính toán 49 Ví dụ tính toán 50 Ví dụ tính toán Giaû i: a/- Tính L ñeåcoùtheåbuøtöøQmin=0 ñeá n Qmax =10 kVAr. Coâ ng suaá t buøcuû a tuï: U2 QC   .C.U 2 XC Coâ ng suaá t buøcuû a cuoä n khaù ng: U2 U2 QL   X L  .L Ñeåbuøñeá n cos =1, ta caà n coùQC =QL Töøñoù : L C L 1  2 .C QC  .U 2 2   10.000 314.220 2 1 314 . 657,99.10 6   657,99.10  6 [F ]  0,0154[H ] 51 Ví dụ tính toán b/- Tính dòng bù tổng với các góc kích  khác nhau Doø ng buøtoå ng: U ibuø= i C  i t1  j .C ..U  j ..L1 vôù i U U IL 1  S  2   2  sin 2   .L1 ..L Ta coùkeá t quaû : I buø     =45,477-25,655=19,821A  2 I buø   2  =45,477-20,246=25,230A  3  I buø   5  =45,477-13,802=31,674A  6  I buø   =45,477-0=45,477A 52 Ví dụ tính toán Ví duï3.5: Cho boäbieá n ñoà i ñieä n aù p xoay chieà u moä t pha, taû i RL, Điện áp nguồn U =220V, taà n soánguoà n ac f=50Hz. Keá t luaä n gì veàtính lieâ n tuïc cuû a doø ng taû i trong caù c tröôø ng hôïp sau:  6  b/- R =1  ; L =0,01 H ;   6 a/- R =10  ; L =0,01H ;   It R Ut L 53 Ví dụ tính toán Giaû i: a/- R =10  ; L =0,01H ;     arctg    6  .L 314.0,01  arctg  0,3042[rad ] R 10   0,523[rad ]   6  Doø ng taû i giaù n ñoïan. 54 Ví dụ tính toán b/- R =10  ; L =0,01H ;     arctg    6  .L 314.0,01  arctg 1,262[rad ] R 1   0,523[rad ]   6  Doø ng taû i lieâ n tuïc . 55 Ví dụ tính toán Ví duï3.6 Boäbieá n ñoå i aù p xoay chieà u moä t pha ñieà u khieå n theo phöông phaù p tæleäthôø i gian Áp nguoà n xoay chieà u U =220V,  =314 rad/s. Thôø i gian ñoù ng 1s, thôø i gian ngaé t 0,5s. Taû i thuaà n trôûR =50 a/- Tính tròhieä u duïng ñieä n aù p taû i vaødoø ng taû i b/- Tính coâ ng suaá t taû i c/- Tính heäsoácoâ ng suaá t nguoà n 56 Ví dụ tính toán Giaû i: a/- Tròhieä u duïng aù p taû i:U t U . T1 1  220. 179,6 [V ] T 1,5 Do taû i R neâ n tròhieä u duïng doø ng taû i It  U t 179,6   3,592[ A ] R 50 b/- Coâ ng suaá t taû i R: PR U t2 179,6 2   645,333[W ] R 50 c/- Heäsoácoâ ng suaá t nguoà n  PR P 645,333  R  0,8166 S U .I t 220.3,592 57